RFPAD渗流培训教程学习课程

1、一、RFPA-Flow渗流版简介第1页/共61页第一页，编辑于星期六：十八点 五十三分。RFPA-Flow渗流版简介RFPA-Flow渗流版:观看岩石水压致裂全过程第2页/共61页第二页，编辑于星期六：十八点 五十三分。水压致裂演化全过程第3页/共61页第三页，编辑于星期六：十八点 五十三分。几个有关渗流的事例大坝基础破坏与相应的渗流场破坏模式声发射水流矢量场加载过程中的载荷、渗透性及声发射演化第4页/共61页第四页，编辑于星期六：十八点 五十三分。二、岩石（岩体）渗流力学特性 及基本原理介绍第5页/共61页第五页，编辑于星期六：十八点 五十三分。岩石（岩体）渗流力学特性岩石作为天然地质材料，

2、内部赋存着大量的孔隙、裂隙，这些缺陷结构的存在不但改变了岩石的力学性质，而且严重影响着岩体的 渗透特性。岩石是低渗透性的材料，可以认为其不透水，但破裂失稳过程中随着裂纹的萌生、扩展和贯通，其渗透率发生重大的变化。一些工程事 故中，如矿井突水、坝体溃决等，还有水压致裂问题，岩体破坏前是不透水的 （或低渗透的），渗流应力耦合效应不明显。但应力和水压诱发新的损伤过程中，随着裂纹的扩展，应力场、渗流场以及损伤演化过程调整、迁移以及相互作用十分显著，并将导致岩体失稳。由此可见，研究岩石块体的力学性质、渗透性质对于工程岩体的渗流稳定性分析、设计具有重要的理论意义和实用价值。第6页/共61页第六页，编辑于星

3、期六：十八点 五十三分。岩石（岩体）的孔隙特征(a)良好顺序的沉积矿床的高孔隙结构(b)由矿物碎屑充满的低孔隙结构 岩石的孔隙性通常用孔隙率n表示。对于大裂隙不发育的砂岩、蚀变花岗岩、风化带岩体及超固结的岩体，孔隙性的描述一般与土体大致相同，可按多孔介质处理，描述孔隙性的指标为孔隙率，即式中：n为岩石的孔隙率；Vp为岩石中孔隙、 裂隙所占的体积；V为岩石的总体积。 孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一。岩石的孔隙率反映了孔隙和裂隙在岩石中所占的百分率，孔隙率越大，岩石中的孔隙和裂隙就越多，岩石的力学性能就越差。 VVnp第7页/共61页第七页，编辑于星期六：十八点 五十三分。岩石（岩

4、体）的渗透特征 岩体中的水只能沿连通孔隙或裂缝渗透。岩石的渗透性大小可用渗透系数衡量，它主要决定于岩石孔隙的大小、方向及其相互连通情况。 渗透率(permeability)是岩体介质特征的函数，它描述了岩体介质的一种平均性质，表示岩体介质传导流体的能力。对于均匀各向同性多孔介质而言，其渗透率为：2cdk 式中：k为多孔介质渗透率；d为岩土体颗粒的有效粒径；c为比例常数。第8页/共61页第八页，编辑于星期六：十八点 五十三分。 渗流-损伤耦合方程 当单元的应力状态或者应变状态将满足某个给定的损伤阈值时，单元开始损伤，损伤单元的弹性模量为：0)1 (EDE式中：D为损伤变量；E和Eo分别为损伤单元

5、和无损伤单元的弹性模量，这些参数假定都是标量。下面以单轴压缩和拉伸本构关系为例，介绍单元的渗透率-损伤耦合方程。第9页/共61页第九页，编辑于星期六：十八点 五十三分。单元渗透率-损伤耦合方程第10页/共61页第十页，编辑于星期六：十八点 五十三分。单元渗透率-损伤耦合方程第11页/共61页第十一页，编辑于星期六：十八点 五十三分。三、RFPA-Flow渗流版功能按钮与工具条介绍第12页/共61页第十二页，编辑于星期六：十八点 五十三分。渗流边界条件动态问题第13页/共61页第十三页，编辑于星期六：十八点 五十三分。基本工具条New新建Open打开Save保存Print打印Copy复制Zoom

6、缩放Full Screen全屏显示Mesh dividing网格划分Boundary conditions边界条件Control conditions控制条件Self defining系统自定义Seepage boundary conditions渗流边界条件Run step by step单步运行Auto run 自动连续运行Stop run强制停止运行第14页/共61页第十四页，编辑于星期六：十八点 五十三分。Draw by mouse鼠标键盘输入切换Material property材料类型选择Select area区域选择Rectangle矩形Circle圆Line单直线Double

7、line双直线Polyline多线Polygon任意多边形Compositematerial复合材料Closed Arc封闭弧Arc圆弧Anchor支护复合材料增强介质颗粒设置第15页/共61页第十五页，编辑于星期六：十八点 五十三分。Shear stress剪应力图Max. principal stress最大主应力图Min. principal stress最小主应力图Elastic弹性模量图Acoustic Emission声发射图e/AE弹模和声发射图Load-step curve载荷与加载步曲线AE curve声发射曲线Area AE圈定声发射图Multi-Element Infor

8、mation多单元信息Slide play幻灯播放Displacement vector位移矢量图Stress vector应力矢量图Seepage information 渗流多单元信息Flow volume流量分布图Water head水位等值线分布图Security curve安全系数曲线第16页/共61页第十六页，编辑于星期六：十八点 五十三分。 01mmme Weibull分布函数：网格划分 Y Length(mm),X length(m): Y方向和X方向的尺寸均为所研究问题的实际尺寸，单位为毫米，建立模型的时候需要将实际尺寸换算成毫米，单元尺寸为实际 尺寸除单元个数。Rows(E

9、lements),Cols(Elements): 单元列数和行数，单元尺寸的划分原则前面已讲述。Heterogeneity Index行：为均质度，weibull统计分布函数中的参数m，反映岩石介质的均质性。若模拟地下工程等必须考虑模型本身的重力的工程问题时，需要输入自重的参数，注意自重的单位：N/mm3。Mean Value: 为单元物理力学参数的平均值。第17页/共61页第十七页，编辑于星期六：十八点 五十三分。渗透特性设置孔隙压力系数(poro-water pressure)：是岩石本身的固有特性，值的大小为0到1之间；当单元完全破坏，成为空气元的时候，该数变成1，即孔隙压力终值。损伤突

10、变系数(damage mutaion coeff)：是指基元体一旦有损伤，则其渗透性要提高的倍数。分离系数(separation coeff)：是指基元体在完全破坏后，其渗透性提高的倍数。耦合系数(coupling coeff)：表征的是应力对材料渗透特性的影响程度。（渗透角度暂时无效） 水平渗透系数垂直渗透系数孔隙率孔隙压力系数损伤突变系数分离系数耦合系数孔隙压力终值第18页/共61页第十八页，编辑于星期六：十八点 五十三分。渗流边界条件设置如果涉及渗流计算问题，则必须初始化模型的渗流边界条件，主要操作：先按下再按下渗流边界类型，选择渗流边界条件：然后用鼠标在模型边界拉线，鼠标单击结束后，上

11、述对话框中所设置的值就赋予了所选中的边界单元（既然是边界条件，所以注意不要将其设如模型内部）。注意：压力用水头表示，在计算时候要注意单位的换算，1MPa约等于100米水头高。Increment增量正值为增加，负值为减小。第19页/共61页第十九页，编辑于星期六：十八点 五十三分。渗流时间选项: 如果计算需要考虑渗流时间问题,需要进行此项设置：时间选项Interative Times：是计算的迭代次数，这个你保持默认值就行，默认值是2。Times Span(Day)：是时间尺度，即在非稳态计算的时候，每一个计算步所代表的时间，这个计算步就是rfpa控制中的步，我们非稳态计算采用的时间差分法。In

12、itial Pressure(MPa) ：是整个模型中初始压力，各个单元的。第20页/共61页第二十页，编辑于星期六：十八点 五十三分。控制边界条件设置执行完网格划分命令就要对用户的模拟区进行控制条件赋值。控制条件涉及的是一些基本条件如：求解的类型是平面应力还是平面应变问题；加载总步数、是否为流固耦合等问题以及重力方向等如下图所示：其中Cavity element 和 Equivalent force两种计算方法，一般计算采用空单元法，如果考虑的问题和分步开挖加支护的话，选择等效节点力法。 Pressure water承压水和Phreatic潜水，是地下水两种不同的埋藏类型 。承压水(pres

13、sure water) ：埋藏在上下两个稳定隔水层之间 。潜水(phreatic water) ：埋藏在第一个稳定隔水层之上 。第21页/共61页第二十一页，编辑于星期六：十八点 五十三分。系统自定义 (self define)第22页/共61页第二十二页，编辑于星期六：十八点 五十三分。系统自定义(self define)图片类型和尺寸(Picture Type Size)结果图类型(Type)：此命令主要是定义在模型计算完成后要显示图形的类型和尺寸。根据研究问题的需要将相应的结果图选项上钩上即可。图形尺寸(Size)：对系统生成的结果图进行大小设置，选Default默认，系统根据窗口大小随

14、机生成。矢量单元间隔(Vector element intervals)：因为要表示矢量场，用箭头表示矢量的大小方向，箭头方向为矢量方向，箭头长短表示矢量大小。位移矢量放大系数 (Displacement vector amplified coeff)：为了计算结果显示的我们能更好的看清以说明问题，对原始矢量大小给予适当的放大。应力矢量放大系数(Stress vector amplified coeff)：解释同位移放大系数。注：这些参数定义可在计算运行命令之前执行，也可在计算命令之后执行。第23页/共61页第二十三页，编辑于星期六：十八点 五十三分。显示步(Show step)显示步(Sho

15、w step)：此命令在设置重画计算结果图时候设置，设置重画计算步的间隔。也可在input redraw step 下面直接输入要重画的计算步，用英文状态下的逗号相隔。重画(Redraw)：是系统对计算数据进行重新生成图像的操作，原计算数据不变化，只是新生成的结果图将覆盖和上次生成的名称相同的图形。不同于系统重置(reset)。系统自定义(self define)第24页/共61页第二十四页，编辑于星期六：十八点 五十三分。 声发射图设置(AE Picture Setting)声发射圆大小(Type size)：设置声发射圆大小（代表相对能量或震级大小），Amplified radius是指在

16、原能量圆大小的基础上放大的倍数。所有步(For all steps)：显示当前所有步的声发射圆。当前步(For current step)：显示当前单步的声发射圆。发射圆颜色(AE color)：用声发射圆颜色进行区别单元的破坏是抗拉破坏、抗压破坏、还是抗剪破坏。双击颜色框进行调节。系统自定义(self define)第25页/共61页第二十五页，编辑于星期六：十八点 五十三分。高级设置(Advanced Setting)主要对破坏后和空气单元的参数进行调整(初学者将词项默认)。分离系数(Detached coeff)：主要为了处理破坏后单元的显示状态，当破坏单元的变形(受拉)达到分离系数指定

17、的变形量时，认为单元已彻底分离，将不在显示此单元，值为1-100。设置为5时，表示当单元的最大变形超过5倍单元原始尺寸时，不再显示此单元。灰度系数(Gray degree coeff)：是通过去掉高亮度单元来调整总体的亮度范围，值在01之间，其意义为：假设模型单元数为10，000个，灰度系数为0.01，则表示在显示时去掉10，0000.01=100个最亮的个单元级别。大位移(Large displacement)：是在处理自重问题时，当破坏的单元下落的位移超过设置值时，则认为破坏单元脱离母体单元，值为单元边长的倍数。系统自定义(self define)第26页/共61页第二十六页，编辑于星期六

18、：十八点 五十三分。变形放大系数(Deformation)：对破模型的尺寸在显示时做放大处理，如有时计算完成后发现模型没有变化则可能是放大系数设置的太小；反之，当计算完成后显示的图形出现全黑时，则有可能是因为放大系数设置过大的缘故。计算精度系数(Accurate of stress)：表示控制计算精度，如设置为0.0001时，则表示当破坏单元达到总单元数万分之一时，系统不再做当前不的循环计算。系统自定义(self define)其他设置(Others setting)第27页/共61页第二十七页，编辑于星期六：十八点 五十三分。四、RFPA-Flow渗流版分析问题流程第28页/共61页第二十八

19、页，编辑于星期六：十八点 五十三分。RFPA计算步骤（三大步）构造模型 （前处理）1建立工程文档2网格划分和参数赋值3插入模型结构4边界条件(力、位移、渗流)5控制条件(选择渗流问题）计算单步运行连续运行结果分析（后处理）选择渗流图第29页/共61页第二十九页，编辑于星期六：十八点 五十三分。五、工程中几个渗流问题的RFPA模拟第30页/共61页第三十页，编辑于星期六：十八点 五十三分。RFPA-Flow工程算例（渗流模块）第31页/共61页第三十一页，编辑于星期六：十八点 五十三分。空隙水压下岩石破裂过程RFPA模拟试验内容： 考虑孔压作用下岩石的应力-应变曲线 岩石损伤破坏中渗透性的演化规

20、律第32页/共61页第三十二页，编辑于星期六：十八点 五十三分。孔隙压力对岩石破裂的影响 对于孔隙和微裂隙中含有重力水的岩石，当其突然受载水来不及排出时，岩石孔隙或裂隙中将产生很高的孔隙压力。这种孔隙压力，减小了岩石颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度，甚至使岩石的微裂隙端处由于受拉状态从而破坏岩石的连接。第33页/共61页第三十三页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第1步：模型建立及参数选择模型： 数值模型采用二维平面应力薄板模型。试样模型尺寸80mm50mm ，网个划分为160100个基元 。整个加载过程通过位移加载方式。轴向加载位移增量为s=0.01mm。侧压p2=4Mpa，上下边

21、界孔隙压力p3,p4分别为2.3Mpa,3.8Mpa。左右边界孔隙压力为0。控制步数为100步。 力学性质参数如下表：均质度弹性模量强度PoissonC/T 2100001000.2510摩擦角孔隙率渗透系数孔隙水压系数耦合系数300.10.10.60.1表 1 强度准则和相变准则第34页/共61页第三十四页，编辑于星期六：十八点 五十三分。RFPA数值模型孔隙压力p4=3.8Mpa孔隙压力p3=2.3Mpa侧压p2=4Mpa侧压p2=4Mpa轴向位移加载s=0.01mm第35页/共61页第三十五页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第2步：计算几分钟后第36页/共61页第三十六页，编辑于星期六

22、：十八点 五十三分。第3步：计算结果分析第37页/共61页第三十七页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第38页/共61页第三十八页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第39页/共61页第三十九页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第40页/共61页第四十页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第41页/共61页第四十一页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第42页/共61页第四十二页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第43页/共61页第四十三页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第44页/共61页第四十四页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第45页/共61页第四十五页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第4

23、6页/共61页第四十六页，编辑于星期六：十八点 五十三分。N-S曲线、Seepage曲线、AE曲线第47页/共61页第四十七页，编辑于星期六：十八点 五十三分。 岩石水压致裂过程RFPA数值模拟试验内容： 含单孔围压作用下岩石水压致裂过程 从孔心到边界应力分布情况 不同均质度时孔边应力分布的指纹图 不同边界压力时破坏裂纹模式、应力分布、流量分布情况第48页/共61页第四十八页，编辑于星期六：十八点 五十三分。第1步：模型建立及参数选择 模型： 为了研究不同均质度时孔边应力分布的光弹图，首先建立一个均匀材料的模型（均质度为100）材料力学参数如下表，再建立一个非均匀材料的模型（均质度为3）。数值